电气过应力 (EOS) 1

大家好 欢迎来到 TI Precision Labs 德州仪器高精度实验室 本次课程开始 我们将讨论电气过应力 Electrical Overstress 在本次课程中 我们将讨论电气过应力的成因 并介绍几种可以提高 电路可靠性的抗电气过应力的方法 课程中所有的例子 都是基于运算放大器的 但是这几种方法 也可以用于其他的器件 在接下来的几个课程中 我们会详细的说明 如何去选择器件参数 以及用来确认电气过应力 是否可靠的测试方法 首先我们先来对比下 ESD 和 EOS 我们在另一个 TIPL1401 的 ESD 的课程中讨论过了 ESD ESD 也就是静电放电 它是一种在两个带相反电荷的 物体之间突发的电荷流动 ESD 是一个短时的事件 通长在纳秒的级别 ESD 的电压会很高 可以高达几千伏 脉冲上升下降沿都非常陡峭 电路在组装前和组装后 均有可能会发生 ESD 损坏 EOS 也就是电气过应力 会在外部加压超过芯片规定的 绝对最大电压值的情况下发生 EOS 是一个长时间的事件 它可能会是毫秒级数秒级 或者是持续的过压 通常 EOS 的电压水平 会比 ESD 的电压低 事实上很可能只是刚好超过 芯片规定的最大绝对耐受电压 例如一个芯片规定绝对最大值电压为 7V 但是当施加十伏的电压作用于芯片上时 将会导致芯片的 EOS 损坏 让我们以一个放大器的 EOS 事件为例 在这个例子中 放大器的供电为单五伏的供电 请注意 该例中五伏电源 是通过五伏输出的线性稳压器 也就是 LDO 来提供的 该电路的放大器的最大电源电压为五伏 但是放大器的输入端 连接了 15V 的过压这个过压 导致了 D3 的二极管导通 电流流过电源引脚和内部电流吸收电路 这样导致放大器的电源引脚电压升至 14.3V 这是由于线性稳压器不能吸收电流 因此不能再调节其输出电压导致的 在实际上这种情况下 LDO 输出端可以视为开路 这个 14.3V 的电压 超过了放大器的绝对最大值 在这种情况下 放大器内部的吸收电路会导通 以尽量保持电压 在绝对最大值的电压以下 一旦内部吸收电路导通 它会在断电之前一直导通 在这个模式下 内部吸收电路的导通阻抗很低 并且也会从 LDO 抽取大量的电流 这个大的电流会产生大量的热量 从而通常会导致芯片的损坏 TVS 也就是瞬态电压抑制二极管 是作为 EOS 防护最常用的一种器件之一 TVS 管类似于稳压二极管 但是可以支持更快地导通 和吸收更多的瞬态能量 右下角我们给出了TVS管的 电流电压特性曲线 并且在曲线上标注了几个关键参数的位置 在曲线图的右侧 正向导通压降 VF 定义为在正向电流 IF 的情况下的导通电压 曲线图的左侧是反向截止电压 VR 以及对应该电压的反向漏电流 IR 反向截止电压 规定了低漏电流情况下 所以允许加的最大的反向电压 也就是 TVS 管的关断状态 反向击穿电压 VBR 是 TVS 管开始反向导通并接近钳位的点 最后一个参数钳位电压 VC 是当 TVS 所允许的最大反向电流 Ipp 出现情况下 TVS 管上的反向电压 现在我们还是采用与之前一样的电路 区别在于现在在电源的引脚上 放置了一颗 TVS 管 放置了一颗 TVS 管 并且在运放输入端串入了一个电阻 来保护放大器免遭 EOS 损坏 在这种情况下 当时 15V 过压施加到运放的输入端时 内部 ESD 的二极管D3正向导通 并将过压引入到电源引脚上的 TVS 管上 这个 TVS 二极管将这个过压电压 钳位到了 7V 避免内部吸收电路的导通 与此同时运放输入端 串入了 1k 欧姆电阻 起到了限流的作用 将电流限制在了十毫安以内 以避免运放损坏 请记住十毫安是这个放大器 规定的绝对最大输入电流 这是最常用的半导体的 EOS 保护方式 在某些情况下 上电顺序不当 也有可能会导致芯片的损坏 上图这个例子给出的 是一个双电源放大器的上电实例 在这个系统中 先上电 +15 伏 后上电 -15 伏 在某段时间内 +15 伏的电源 已经准备好 而 -15伏 的电源轨处于悬浮状态 因此在正电源轨到负电源轨之间 没有正常的电流泄流回路 所以电流会找到运放内部的 寄生通道来泄流 这很有可能会导致芯片 进入非正常的工作模式 器件可能会消耗过度的电流 并且工作异常 现在我们在运放的正电源轨 和负电源轨均放置一颗 TVS 管 在正常情况下 TVS 管 D6 是反向偏置的 可是在上电过程中 这个 TVS 管会正向导通 以提供从正电源轨 到负电源轨的泄流回路 这就避免了放大器进入到 异常的工作模式中 而一旦负电源轨的供电正常 D6 就开始反偏 运放开始进入正常的工作状态 另一种用来保护器件输入的 非常有用的技术 是放置于内部 ESD 二极管并联的 外部保护二极管 在理想情况下 外部保护二极管的正向导通压降 应该要低于内部 ESD 保护二极管的正向导通压降 以确保大部分的 EOS 电流 流过外部的保护二极管 基于这个原因 通常会选择较低导通压降的 0.3 伏的 肖特基二极管来作为外部保护二极管 不幸的是肖特基二极管 有很大的漏电流 甚至会达到微安的级别 所以并不是各种情况下 都能够选用肖特基二极管的 再要求低漏电流的情况下 就需要选用其它低漏电的 芯片保护二极管 是需要注意的是在这个例子中 因为只有输入端口连接到外部世界 所以只需要保护输入端口 放大器的输出 是连接到 pcb 板子的内部电路的 例如放大器的输入 可能要连接到远处的传感器 而运放的输出 要连接到数据转换器 或者另一个放大器 通常情况下 外部连接相较于系统内晶片的 脚位内部连接更容易遭受 EOS 损坏 例如长的传感器引线 可能会产生大的电荷积累 和释放而导致 EOS 事件 而不恰当的外部接线 和其他地方引入的大的电压 也可能会导致 EOS 的损坏 如果运放的输出接至系统外 同样的肖特基二极管的保护线路 也可以使用在运放的输出端 关于输出端保护的另一个关键点 是输出串联电阻 RP 将会很大程度上 限制放大器的输出电压摆幅 这个限制取决于输出负载的电流 因此更高功率的放大器 需要更低的串联电阻 RP 对于大部分的放大器而言 10 到 20 欧姆的串联电阻 是非常常用的 需要注意的是在这个电路中 RP 在反馈环里面 尽管电阻在 RP 上有压降 通过闭环反馈之后 却仍然可以得到 比较高精度的输出电压 最后需要注意的是 由于 RF 通常远远大于 RP 因此流过反馈电阻 RF 到运放输入端的电流就很小 以上就是本次课程的内容 非常感谢您的观看 请准备好下面的一个小测试 来看看您是否已经掌握好本次课程的内容